Tự động hóa quy trình thiết kế bộ lọc cho dải tần 4 và 20 ghz

1
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian gần ba năm theo học chương trình cao học với rất nhiều
khó khăn và thử thách, đã có nhiều lúc tưởng chừng không thể vượt qua, thế nhưng
bên cạnh tôi luôn luôn có những lời động viên, khích lệ của Thầy Cô, gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp đã giúp tôi vượt qua tất cả.
Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến Thầy Lê Ngọc Sơn.
Thầ
y đã tận tình chỉ bảo về mặt chuyên môn, kinh nghiệm thực tế và tạo mọi điều kiện
thuận lợi nhất trong nghiên cứu để tôi hoàn thành chương trình cao học và luận văn
Thạc sĩ này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy giảng dạy chương trình Cao học
Khóa 16 và các Thầy ở Khoa Điện Tử Viễn Thông Trường Đại học KHTN Tp. Hồ Chí
Minh đã nhi
ệt tình giảng dạy chúng tôi trong suốt quá trình học tập.
Xin cảm ơn gia đình, vợ và con tôi đã động viên, thông cảm, hỗ trợ cho tôi vượt
qua thời kỳ khó khăn để đạt kết quả như ngày hôm nay.
Tôi xin chân thành cảm ơn quí thầy trong Khoa Điện Tử - Trường Cao đẳng
nghề Đồng Tháp – nơi tôi công tác đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi
trong quá trình học tập và thự
c hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ Khí Chế Tạo - Trường Cao đẳng nghề Đồng
Tháp, đặc biệt là Thầy Hồ Minh Phương đã giúp đỡ cho tôi trong quá trình gia công
bộ lọc (sản phẩm của đề tài) bằng máy CNC.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trung Tâm C.E.E - Trường Đại học Dân lập Duy Tân
– Đà Nẵng, đặc biệt là Anh Lê Thế Hải đã giúp đỡ cho tôi trong quá trình kiểm tra
hoạt động bộ lọc (sản phẩ

m của đề tài) bằng các dụng cụ và thiết bị siêu cao tần
Xin cảm ơn tất cả người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên và giúp đỡ tôi
trong suốt thời gian thực hiện luận văn này.
Cuối cùng tôi xin chia sẻ niềm vui này đến gia đình, quí thầy cô, bạn bè và đồng
nghiệp thân yêu.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 08 năm 2009
PHAN THANH GIANG
2
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn 1
Mục lục 2
Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt 5
Danh mục các hình vẽ 6
Danh mục các bảng biểu 9
Mở đầu 10
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 13
1.1 BỘ LỌC ỐNG DẪN SÓNG HỐC HAI TRỤ 13
1.2 TÌNH HÌNH Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN THẾ GIỚI 15
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16
2.1 GIỚI THIỆU KỸ THUẬT SÓNG VI BA 16
2.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG TỔNG QUÁT CỦA CẤU TRÚC B
Ộ LỌC
SÓNG VI BA 18
2.2.1 Dùng bộ lọc để tách hoặc tổng hợp tín hiệu 18
2.2.2 Mạch phối hợp tổng trở 20
2.2.3 Mạng ghép nối ống và bộ khuếch đại điện trở âm 22

2.2.4 Mạng trì hoãn thời gian và cấu trúc sóng chậm 25
2.3 CÁC ĐƯỜNG TRUYỀN VÀ ỐNG DẪN SÓNG 28
2.3.1 Nghiệm tổng quát đối với sóng TEM, TE và TM 28
2.3.2 Ống dẫn sóng hình chữ nhật 37
2.4 BỘ LỌC NGUYÊN MẪU THÔNG THẤP ĐẠT ĐƯỢC BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP MẠNG 47
2.4.1 Đặc tính suy giảm bộ lọc Tchebyscheff và phẳng cực đại 47
2.4.2 Định nghĩa các tham số mạch cho bộ lọc nguyên mẫu thống thấp
54
3
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
2.4.3 Hai đầu cuối của bộ lọc nguyên mẫu Tchebyscheff và phẳng cực
đại 56
2.4.4 Sự chuyển đổi của các bộ lọc nguyên mẫu đối với việc sử dụng
bộ đảo dẫn nạp hoặc tổng trở chỉ dùng một loại điện kháng 62
2.5 CÁC BỘ CỘNG HƯỞNG SÓNG VI BA 65
2.5.1 Các mạch cộng hưởng song song và nối tiếp 65
2.5.2 Các hốc ống dẫn sóng hình chữ nhật 74
2.6 B
Ộ LỌC THÔNG DẢI 80
2.6.1 Nguyên lý tổng quát của bộ lọc cộng hưởng ghép 80
2.6.2 Thực hiện các bộ đảo K và J 88
2.6.3 Sử dụng bản đồ chuyển đổi thông thấp sang thông cao 92
2.6.4 Bộ lọc đường truyền ghép khe điện dung 93
2.6.5 Bộ lọc ống dẫn sóng, điện cảm ghép song song 99
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC HỐC
HAI TRỤ 108
3.1 CÁC THAM SỐ YÊU CẦU NHẬP VÀO 108

3.2 CÁC THAM SỐ CẦN PH
ẢI TÍNH TOÁN 108
3.2.1 Tính tham số gợn sóng trong dải thông (ripple in bandpass) 108
3.2.2 Tính các giá trị tham số g
k
bộ lọc thông thấp Tchebyscheff 109
3.2.3 Tính việc chuyển đổi thông thấp sang thông dải 109
3.2.4 Tính các tham số bộ đảo tổng trở chuẩn hóa 110
3.2.5 Tính các thành phần điện kháng nối tiếp 110
3.2.6 Tính chiều dài các cavities 111
3.2.7 Tính khoảng cách tách các trụ chuẩn hóa 111
3.2.8 Tính khoảng cách giữa các con ốc điều chỉnh 112
3.2.9 Tính chiều dài tổng cộng của bộ lọc 112
3.3 HÌNH DẠNG CỦA BỘ LỌC 112
4
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
CHƯƠNG 4: HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CÁC CHƯƠNG TRÌNH CHO
QUY TRÌNH TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ LỌC 114
4.1 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC
“DUAL POST” 114
4.1.1 Nhập các tham số theo yêu cầu 114
4.1.2 Kết quả sau khi chạy chương trình 116
4.1.3 Các chú ý 118
4.2 GIỚI THIỆU CÁC CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ BỘ ỐNG DẪN
SÓNG KHÁC 119
4.2.1 Chương trình bộ lọc ống dẫn sóng “Single Post” (Lỗ trụ đơn) 119
4.2.2 Chương trình b
ộ lọc Iris 121

4.2.3 Chương trình kiểm tra các giá tị phần tử g
kj
của bộ lọc phẳng cực
đại và Tchevbyscheff 122
4.2.4 Chương trình tính tham số tổn hao phản hồi-RL (Return Loss) 122
4.2.5 Chương trình tính hệ số phẩm chất Q (Quality factor) 122
4.2.6 Chương trình tính tham số Skin depth tại tần số sóng vi ba 123
4.2.7 Tính tham số gợn sóng trong dải thông( ripple in passband)
123

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 124
5.1 KẾT LUẬN 124
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO 128
PHỤ LỤC 130




5
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Bw : Bandwidth
Unloaded Q : Uloaded Quality
RL : Return Loss
DBS :
Direct broadcast satelite television

PCSs : Personal Communications Systems
WLANs : Wireless Local Area Networks
GPSs : Global positioning satelite sysstems
CVSs : Celular Video Systems
SWR (VSWR) : Voltage Stander Wave Ratio
R
L
: R
Load

P
avail
: Available Power
TEM : Transverse Electromagnetic Waves
TE : Transverse Electric Waves
TM : Transverse Magnetic Waves
0
ω
: pass band center frequency
w : fractional bandwidth
0
λ
: Wavelenghth at
0
ω

g
λ
: Guide Wavelenghth at
0

g
λ
,
1g
λ
,
2g
λ
, : Guide Wavelenghths at
0
ω
and at lower and upper pass band
edge frequencies.
λ
w : Guide wavelength fractional bandwidth
SPB
ω
: Center frequency of second pass band
L
Ar
: Peak attenuation (in db) in pass band
L
A
: Peak attenuation (in db) in upper stop band (between
0
ω
and
SPB
ω
)

6
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình dạng bộ lọc trụ đơn 15
Hình 1.2 Hình dạng bộ lọc hai trụ 15
Hình 2.1 Sóng điện từ 16
Hình 2.2 Bốn loại đặc trưng của bộ lọc 19
Hình 2.3 Nhóm bộ lọc ba kênh 19
Hình 2.4 Thí dụ mạng phối hợp tổng trở 20
Hình 2.5 Đường cong chỉ ra mối liên hệ giữa độ rộng băng thông và mức độ của
khả năng phối hợp tổng trở đối với tải có thành phần điện kháng được cho 21
Hình 2.6 Mạch khuếch đại điện trở âm trong thiết kế cấu trúc bộ lọc 24
Hình 2.7 Độ lợi bộ chuyển đổi giữa nguồn và ngõ ra bộ xoay vòng ở hình 2.6 24
Hình 2.8 (a) Mạch lọc thông thấp 26
Hình 2.8 (b) Đặc tính khả năng
60

EE đối với bộ lọc ở hình 2.8(a) và đặc tính pha
tương ứng xấp xỉ 27
Hình 2.9 (a) Mạch lọc thông dải 27
Hình 2.9 (b) Đặc tính pha khả năng đối với bộ lọc ở hình 2.9(a) 28
Hình 2.10 (a) Đường truyền hai dây dẫn tổng quát 29
Hình 2.10 (b) Ống dẫn sóng khép kín 29
Hình 2.11 Dạng hình học của ống dẫn sóng hình chữa nhật 39
Hình 2.12 Sự suy giảm của các kiểu khác nhau trong ống dẫn sóng đồng thau hình
hình chữ nhật a = 2 cm 45
Hình 2.13 Đặc tính suy giảm thông thấp ph
ẳng cực đại 48
Hình 2.14 Đặc tính suy giảm bộ lọc phẳng cực đại với điểm băng cạnh 3 db 49
Hình 2.15 Đặc tính suy giảm thông thấp Tchebyscheff 50
Hình 2.16 Những đặc tính bộ lọc Tchebyscheff với độ gợn sóng 0.01 db 50
Hình 2.17 Những đặc tính bộ lọc Tchebyscheff với độ gợn sóng 0.10 db 51
Hình 2.18 Những đặc tính bộ lọc Tchebyscheff với độ gợn sóng 0.20 db 51
Hình 2.19 Những đặc tính bộ lọc Tchebyscheff với độ gợn sóng 0.50 db 52
7
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
Hình 2.20 Những đặc tính bộ lọc Tchebyscheff với độ gợn sóng 1.0 db 52
Hình 2.21 Những đặc tính bộ lọc Tchebyscheff với độ gợn sóng 2.0 db 53
Hình 2.22 Những đặc tính bộ lọc Tchebyscheff với độ gợn sóng 3.0 db 53
Hình 2.23 Định nghĩa các tham số bộ lọc nguyên mẫu 54
Hình 2.24 Định nghĩa bộ đảo tổng trở và bộ đảo dẫn nạp 63
Hình 2.25(a) Nguyên mẫu được sửa đổi sử dụng các bộ đảo tổng trở 64
Hình 2.25(b) Nguyên m
ẫu được sửa đổi sử dụng các bộ đảo dẫn nạp 64
Hình 2.26 Bộ cộng hưởng RLC nối tiếp và đáp ứng của nó 67

Hình 2.27 Bộ cộng hưởng RLC song song và đáp ứng của nó 70
Hình 2.28 Mạch cộng hưởng nối kết với tải ngoài - R
L
72
Hình 2.29 Hốc cộng hưởng hình chữ nhật 75
Hình 2.30 Đáp ứng nguyên mẫu thông thấp và đáp ứng bộ lọc thông dải tương ứng
81
Hình 2.31(a) Bộ lọc nguyên mẫu thông thấp 81
Hình 2.31(b) Các bộ lọc thông dải và mối quan hệ của chúng với nguyên mẫu
thông thấp 82
Hình 2.31(c) Bộ bộ lọc thông dải ở hình 2.31(b) được chuyển đổi để chỉ sử dụng
các bộ cộng hưởng nối tiếp và các bộ
đảo tổng trở 83
Hình 2.32(a) Tổng quát quá, mạch lọc thông dải sử dụng các bộ đảo tổng trở 85
Hình 2.32(b) Điện kháng của bộ cộng hưởng thứ J 85
Hình 2.33(a) Tổng quát quá, mạch lọc thông dải sử dụng các bộ đảo dẫn nạp 86
Hình 2.33(b) Dẫn nạp của bộ cộng hưởng thứ J 86
Hình 2.34 Một vài mạch mà nó đặc biệt hữu dụng như các bộ đảo K 89
Hình 2.35 Một vài m
ạch mà nó đặc biệt hữu dụng như các bộ đảo J 90
Hình 2.36 Hai mạch mà nó hữu dụng cho việc thể hiện những đặc tính bộ đảo của
một đường truyền nào đó 92
Hình 2.37 Các phương trình thiết kế đối với bộ lọc đường truyền ghép khe điện
dung 94
Hình 2.38 Mạch tương đương khe điện dung 97
8
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
Hình 2.39(a) J/(f

0
)
GHz
đối với (f
0
)
GHz
bộ đảo J khe điện dung trong cấu trúc đường
truyền 97
Hình 2.39(b) Tiếp tục của hình 2.39(a) 98
Hình 2.39(c) Tham số Ф đối với sự gián đoạn bộ đảo J ở hình 2.29(a) và các số
hạng của tham số phụ
τ
98
Hình 2.40 Các phương trình thiết kế đối với bộ lọc ống dẫn sóng điện cảm ghép
song song 100
Hình 2.41 Điện kháng song song của cửa sổ điện kháng đối xứng trong dẫn sóng
hình chữ nhật 102
Hình 2.42(a) Các tham số mạch của lỗ trụ điện cảm trung tâm trong dẫn sóng hình
chữ nhật 103
Hình 2.42(b) Định nghĩa các kích thước ở hình 2.42(a) 103
Hình 2.43 Mạch tương đương cho gián đoạn điệ
n cảm song song ở hình 2.41 và
hình 2.42(a), (b) 103
Hình 3.1 Hình dạng vật lý của bộ lọc 112
Hình 3.2 Tính các khoảng cách ha[0], …, ha[4] và hb[0], …, hb[4] 113
Hình 4.1 Minh họa mở file “Dual post waveguide filters” 115
Hình 4.2 Màn hình dịch chương trình “Dual post waveguide filters” 115
Hình 4.3 Màn hình kiểm tra lỗi sau khi dịch chương trình “Dual post waveguide
filters” 116

Hình 5.1 Trình bày vật lý của cavity 124
Hình 5.2 Mạch tương tương của cavity 124







9
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Tóm tắt các kết quả đối với các ống dẫn sóng hình chữ nhật 45
Bảng 2.2(a) Những giá trị phần tử đối với bộ lọc với suy giảm phẳng cực đại có
g
0
=1, 1
1
=
′
ω
và n = 1 tới 10. Các đáp ứng là dạng ở hình 2.12 với L
Ar
= 3 db 57
Bảng 2.2(b) Những giá trị phần tử đối với bộ lọc với suy giảm phẳng cực đại có
g

0
=1, 1
1
=
′
ω
và n=11 tới 15. Các đáp ứng là dạng ở hình 2.13 với L
Ar
= 3 db 58
Bảng 2.3(a) Những giá trị phần tử đối với bộ lọc Tchebyscheff có g
0
=1, 1
1
=
′
ω
và có
các đáp ứng ở hình dạng hình 2.15 với độ gợn sóng thay đổi. Trường hợp n =1
tới 10 59
Bảng 2.3(b) Những giá trị phần tử đối với bộ lọc Tchebyscheff có g
0
=1,
1
1
=
′
ω
và có
các đáp ứng ở hình dạng hình 2.15 với độ gợn sóng thay đổi. Trường hợp n =11
tới 15 62

Bảng 2.4 Tóm tắt các kết quả các bộ cộng hưởng nối tiếp và song song 72
Bảng 2.5 Sự tính toán thiết kế bộ lọc ống dẫn sóng 105













10
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang

MỞ ĐẦU
Ngày nay các thiết bị vô tuyến điện tử làm việc ở dải sóng siêu cao tần được
sử dụng rất rộng rãi trong các lĩnh vực như: khoa học kỹ thuật, quân sự và đời sống
hàng ngày. Chẳng hạn như chúng được dùng trong phát thanh FM, truyền thanh,
thông tin viễn thông, rađa và đo lường,…, Do đó nhu cầu hiểu biết các khái niệm,
các quy luật, tính chất những quá trình dao động và sóng điện từ ở dải siêu cao tần
trong các môi trường vật chất khác là rất cần thiết, đồng thời cũng là những kiến
thức cơ sở không thể thiếu đối với những người công tác trong ngành vô tuyến điện.
Dải sóng vi ba là một phần của của dải sóng điện từ có bước sóng λ nằm trong
khoảng từ giữa λ = 30 cm và λ = 1 mm (λ = c/f ) tương ứng với khoảng giữ

a tần số
1 GHz (1x10
9
Hz) và 300 GHz (3x10
11
Hz). Sóng vi ba có những đặc tính sau đây:
- Hầu hết các dải sóng vi ba đều có khả năng xuyên qua bầu khí quyển của
trái đất và có thay đổi ít về công suất truyền và phương truyền.
- Sóng vi ba có tính định hướng cao khi bức xạ từ những vật có kích thức
lớn lơn nhiều so với bước sóng.
- Sóng vi ba cho phép khoảng tần số sử dụng rất lớn, tức chúng ta có thể sử
dụng số kênh rất lớn trong dải sóng vi ba,
đáp ứng được lượng truyền thông tin
ngày càng nhiều.
- Ở dải sóng vi ba nhất là ở bước sóng λ có độ dài cm và mm thì kích thước
của các phần tử và thiết bị so sánh được với chiều dài bước sóng
Do những đặc tính riêng của dải sóng vi ba nên các khái niệm về các phần tử
tập trung ở đây không còn được áp dụng được, mà ta phải thay bằng khái niệm về
các phần tử phân bố. Đồng thời nó cũng đặ
t ra nhiều vấn đề cần phải giải quyết như:
các hệ truyền dẫn năng lượng, các mạch dao động, các hệ bức xạ và các dụng cụ
điện tử, dụng cụ bán dẫn hoạt động ở tần số sóng vi ba. Trong giới hạn của đề tài,
tác giả chỉ trình bày những cơ sở lý thuyết bản chất vật lý các quá trình truyền sóng
11
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
vi ba trong các hệ truyền dẫn năng lượng và trong các mạch dao động cộng hưởng
đồng thời chỉ ra ứng dụng của chúng trong kỹ thuật sóng vi ba.
Như chúng ta biết, ở dải sóng vô tuyến điện thông thường như: dài, trung,

ngắn các mạch dao động cộng hưởng thường được xây dựng từ các phần tử tập
trung như điện dung C và điện cảm L. Mạch dao động này cho tần số cộng hưởng
riêng là:
LC
f
π
2
1
0
= . Nhưng ở dải tần số sóng vi ba thì mạch dao động LC từ các
tham số tập trung không làm việc được do các nguyên nhân sau đây:
Thứ nhất là, để nhận được tần số cộng hưởng
LC
f
π
2
1
0
= lớn hay bước sóng
cộng hưởng ngắn, ta phải giảm nhỏ các giá trị của L và C của cuộn cảm hay tụ điện
đến mức tối thiểu. Nhưng việc giảm nhỏ cũng chỉ có giới hạn do kết cấu của cuộn
cảm và tụ điện nên về nguyên tắc ta không đạt được tần số cộng hưởng ở các dải
sóng cao như dải sóng cm và mm.
Th
ứ hai là, ở dải sóng vi ba, kích thước hình học của điện cảm hay tụ điện so
sánh được với bước sóng điện từ nên tại các tần số này bản thân mạch dao động
cũng đóng vai trò như phần tử bức xạ năng lượng điện từ làm tăng tiêu hao năng
lượng đáng kể trong mạch dao động và mạch không duy trì được dao động trong dải
sóng này.
Thứ ba là, khi t

ần số tăng (trong dải sóng vi ba) thì tiêu hao do hiệu ứng bề
mặt và tiêu hao trong điện môi của cuộn dây và tụ điện tăng đáng kể làm giảm
phẩm chất rõ rệt của mạch dao động LC làm cho nó mất tính chọn lọc của mạch
cộng hưởng.
Vì vậy ở dải sóng vi ba, người ta sử dụng các mạch dao động có tham số phân
bố mà người ta thường gọi là hốc (hộp: cavity) cộng h
ưởng. Ta gọi hốc cộng hưởng
là một vùng không gian hữu hạn mà ở đó, sau mỗi thời gian lớn hơn nhiều chu kỳ
dao động sóng vi ba có sự tích lũy năng lượng điện từ. Hốc cộng hưởng được đề
cập đến là dạng kín, tức được bao bọc bởi các bờ thành kim loại. Tuy nhiên cũng có
cũng có hốc cộng hưởng dạng không kín. Các dạng hốc cộng hưởng kín như hốc
cộng hưởng hình chữ nhật (rectangular), hốc cộng hưởng hình tròn (circular).
12
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
Đối với các hốc cộng hưởng ống dẫn sóng rỗng, do cấu trúc đơn giản nên ta có
thể tìm được trường điện từ các dạng tồn tại bên trong chúng bằng cách tìm nghiệm
của các phương trình Maxwell với các điều kiện bờ đã cho, rồi từ đó tìm được các
đại lượng đặc trưng cơ bản là bước sóng cộng hưởng riêng hay tần số cộng hưởng
riêng và độ phẩm chất của hốc với các dạng dao động khác nhau trong hốc.
Khác với các mạch dao động LC chỉ có một tần số cộng hưởng riêng f
0
khi đã
cho các giá trị của L và C, trong hốc cộng hưởng với kích thước đã cho có thể tồn
tại vô số các dao động riêng có cấu trúc trường khác nhau và tương ứng với các
bước sóng cộng hưởng hay tần số cộng hưởng và độ phẩm chất khác nhau.
Các hốc cộng hưởng được ứng dụng trong kỹ thuật sóng vi ba như trong chế
độ dao động cưỡng bức, hốc cộng hưởng đóng vai trò củ
a hệ cộng hưởng chọn lọc

cho các thiết bị thu, phát hoặc trong các dụng cụ điện tử và bán dẫn ở tần số cao,
hốc cộng hưởng tạo ra không gian tương tác và trao đổi năng lượng giữa trường
điện từ và các điện tử hoặc lỗ trống để tạo hoặc khuếch đại các dao động ở tần số
cao. Vì vậy, đề tài cũng ứng dụng hốc cộng hưởng (resonant cavity) để tạo ra bộ lọc
ống dẫn sóng hốc hai trụ. Đề tài sử dụng một chương trình (program) được viết
bằng ngôn ngữ C++ để tính toán thiết kế bộ lọc ống dẫn sóng hốc hai trụ. Ngoài ra
đề tài cũng sử dụng thêm các chương trình phụ khác nhằm mục đích nghiên cứu học
tập và kiểm tra các tham số của bộ lọc hốc hai trụ này. Đối với bộ lọc của đề tài
được thiết kế ở tần số trung tâm 14 GHz, độ rộng băng thông 500 MHz và sử dụng
ống dẫn sóng WR 75.








13
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 BỘ LỌC ỐNG DẪN SÓNG HỐC HAI TRỤ
Bộ lọc thông dải (band-pass Filter) nói chung được ứng dụng rộng rãi trong
lĩnh vực viễn thông, điện tử, … Dải tần số của nó có thể thay đổi tuỳ theo những
ứng dụng cụ thể trong thực tế.

Đối với các mạch dao động cộng hưởng được cấu
trúc từ các phần tử tập trung như điện dung C và điện cảm L
thì tần số cộng hưởng
của các mạch này không vượt quá vài trăm mega hertzs. Vì vậy, chúng phải
được thay thế bằng những loại bộ lọc khác. Ở đây, bộ lọc bằng ống dẫn sóng
(waveguide filters) đã được thay thế cho
các mạch được cấu trúc từ các phần tử
tập trung. Bởi vì các bộ lọc bằng ống dẫn sóng
có thể hoạt động ở tần số từ vài
GHz đến hàng trăm GHz.
Bộ lọc ống dẫn sóng hai trụ (dual post waveguide filter) được thực hiện
bằng cách sử dụng hai đa thức tổng quát (universal polynomials). Đa thức thứ nhất:
),,(
1,1
1,
zyxP
a
W
jj
jj
+
+
= ; j = 0, 1, … , n (n = Nsect)(xem phần 3.2.7) là một đa thức
được dùng để tính toán tách khoảng cách trụ (post separator). Đa thức thứ hai:
Xx
j,j+1
= P
2
(x
j, j+1

, y, z); j = 0, 1, … , n (n = Nsect)(xem phần 3.2.6) là một đa thức
được dùng để tính chiều dài hốc (cavity length). Tiếp cận với phương pháp thiết kế
này, tần số của bộ lọc ống dẫn sóng hình chữ nhật hốc hai trụ có thể lên đến 20GHz
và bây giờ nó được mở rộng thành sóng mili mét.
Do nhu cầu trong thực tiễn, hệ thống viễn thông sẽ có các bộ lọc ở những dải
tần số khác nhau. Vì vậy, mục đích c
ủa đề tài là thực hiện thiết kế bộ lọc ống dẫn
sóng hình chữ nhật (Rectangular waveguide Filters) bằng quy trình tự động hoá để
đáp ứng phần nào nhu cầu này.
14
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
Nghiên cứu chính của đề tài là bộ lọc ống dẫn sóng hình chữ nhật hai trụ. Bộ
lọc 2 trụ (dual post, hình 1.2) này có ưu điểm hơn so với bộ lọc đơn trụ (single post,
hình 1.1).
Đối với bộ lọc đơn trụ (single post), những hốc cộng hưởng được hình thành
bởi hai cản trở (obstacles) gần một nửa khoảng cách (apart) bước sóng. Nói chung,
cản trở được sử dụng có thể hoặc là lo
ại điện dung (capacitive) hoặc là loại điện
cảm (inductive). Trong tất cả các cản trở cảm ứng (inductive obstacles) thường, trụ
đơn được đặt ở trung tâm của bộ lọc xuyên qua ống dẫn sóng song song với điện
trường (electric field) của kiểu trội (dominant mode) là đơn giản nhất đối với quan
điểm sản xuất. Tuy nhiên, kích thước trụ phải được thay đổi theo giá trị của những
đ
iện nạp cản trở (obstacle susceptances). Thông thường, trụ hốc (post cavity) trung
tâm là lớn nhất và kích thước các trụ khác được giảm dần tới cả hai đầu cuối của bộ
lọc, hai trụ cuối là nhỏ nhất như được thấy ở hình 1.1. Khi số lượng hốc và độ rộng
dải thông bộ lọc tăng thì kích thước hai lỗ trụ cuối cùng này trở nên cực kỳ nhỏ.
Điều này dẫn tới hai vấn đề chính: thứ nhất là những kiểu bật cao hơn được tạo ra,

và thứ hai, nó trở nên khó khăn trong việc cấu trúc bộ lọc. Bởi vì hai trụ cuối rất
nhỏ sẽ gây trở ngại trong việc khoan lỗ, thậm chí chúng nhỏ đến mức không thể
thực hiện được. Hơn nữa, các trụ này có kích thước tùy ý (tùy theo thông số yêu cầu
ngõ vào) và không theo tiêu chuẩn trên thị trường nên khó khăn trong việc gia công.

Vì vậy, bộ lọc ống dẫn sóng hốc hai trụ (dual post cavity waveguide filter) sẽ
được thích hợp hơn. Bởi vì, các trụ có cùng kích thước và chúng ta chọn được kích
thước nhưng việc tách khoảng cách giữa hai trụ phải được thay đổi để bù trừ cho sự
thay đổi điện nạp cản trở (obstacle susceptances). Việc mở rộng những kiểu bậc cao
hơn có thể loại bỏ bằng cách dùng những trụ lớn có thể được. Hơn nữa, hai trụ có vị
trí đối xứng trong ống dẫn sóng như thấy ở hình 1.2. Khi điều chỉnh những con vít
(screws) được đặt ở vị trí dọc theo đường trung tâm, ảnh hưởng thay đổi sẽ mạnh
nhất. Kết quả là, sự xuyên qua của các con vít (screw) đi vào hốc (cavity) là rất nhỏ,
ảnh hưởng của giảm Q không tải (unloaded Q) là rất nhỏ và dĩ nhiên, độ thất thoát
xen thêm (insertion loss) cũng là rất nh
ỏ.
15
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang


Hình 1.1 Hình dạng bộ lọc trụ đơn (single post).



Hình 1.2 Hình dạng bộ lọc hai trụ (dual post).

1.2 TÌNH HÌNH Ở VIỆT NAM TRÊN VÀ THẾ GIỚI
Ở Việt Nam, hiện nay chưa có công ty nào sản xuất loại bộ lọc ống dẫn sóng

hình chữ nhật. Cũng chưa có đề tài nào nghiên cứu về loại bộ lọc này cũng như việc
sản xuất ra loại bộ lọc bằng ống dẫn sóng hình chữ nhật hai trụ (dual post).
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều công ty sản xuất bộ lọc bằng ống dẫn sóng
với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau. Chẳng hạn như, công ty Microwave
Filter Company [15](www.microwavefilter.com) với các sản phẩm như: “Iris
Coupled Waveguide Bandpass Filters”, “Post-Iris Coupled Waveguide Bandpass
Filters”, “Septum Coupled Waveguide Bandpass Filters”. Công ty Unique
Broadband System Ltd [18](www.uniquesys.com) với các sản phẩm như: “Dual
Mode Bandpass Filters”, “Combline Bandpass Cavity Filter”, “Waveguide
Bandpass Filter”…
16
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về kỹ thuật sóng vi ba bao gồm: giới
thiệu kỹ thuật sóng vi ba, một số ứng dụng tổng quát của cấu trúc bộ lọc sóng vi ba,
các đường truyền và ống dẫn sóng, các bộ lọc nguyên mẫu thông thấp, các bộ cộng
hưởng sóng vi ba và bộ lọc thông dải.

2.1 GIỚI THIỆU KỸ THUẬT SÓNG VI BA

Hình 2.1 Phổ Điện Từ [14]
Thuật ngữ sóng vi ba (microwaves) dùng để chỉ những tín hiệu dòng điện thay
đổi với tần số khoảng giữa 1 GHz (1x10
9
Hz) và 300 GHz (3x10
11
Hz) lần lượt tương

ứng với bước sóng điện giữa λ = c/f = 30 cm và λ = 1 mm. Những tín hiệu với bước
sóng trên thang milimét (mm) được gọi là sóng milimét (millimeter waves). Hình
17
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
2.1 cho thấy vị trí dải tần số sóng vi ba trong phổ điện từ (the electromagetic
spectrum). Do tần số cao (và bước sóng ngắn), lý thuyết mạch chuẩn nói chung
không thể dùng trực tiếp để giải quyết những vấn đề về mạng sóng vi ba. Bằng trực
quan, lý thuyết mạch chuẩn là phép tính xấp xỉ hoặc sử dụng đặc biệt lý thuyết băng
rộng của điện từ như được mô tả bởi những phương trình Maxwell. Điều này là do
thực tế, nói chung phép tính xấp xỉ phần tử mạch tập trung (lumped circuit element)
của lý thuyết mạch thì không có giá trị tại tần số sóng vi ba. Những thành phần sóng
vi ba thường là những phần tử phân bố (distributed elements), ở đây pha của điện
thế hoặc pha của dòng điện thay đổi đáng kể vượt qua phạm vi vật lý của thiết bị,
bởi vì kích th
ước của thiết bị là ở thang bậc của bước sóng vi ba. Tại những tần số
thấp hơn, bước sóng đủ rộng mà có sự dao động pha không đáng kể để đi qua các
thành phần. Những tần số cực cao khác có thể được định nghĩa như kỹ thuật quang,
ở đó bước sóng ngắn hơn nhiều kích thước của thành phần. Trong trường hợp này,
những phương trình Maxwell có thể được làm đơn giản hoá đối với cách thức
quang học, và những hệ thống quang có thể được thiết kế với lý thuyết của quang
học (the geometrical optics). Những kỹ thuật như vậy đôi khi có thể ứng dụng được
đối với hệ thống sóng milimét, ở đây chúng được xem như là quang.
Trong kỹ thuật sóng vi ba, người ta phải thường bắt đầu với các phương trình
Maxwell và giải chúng. Một điề
u hiển nhiên của những phương trình này là xuất
hiện độ phức tạp toán học do những phương trình Maxwell liên quan tới vi phân
vector (vector differential) hoặc toán tử tích phân (integral operations) trên trường
vector, và những trường này là hàm của toạ độ không gian. Tuy nhiên, người ta sẽ

cố gắng làm giảm sự phức tạp của việc giải quyết lý thuyết trường đối với kết quả
mà có thể được diễn tả bằng các số hạng của lý thuyế
t mạch đơn giản hơn. Sự giải
quyết lý thuyết trường thường cung cấp sự mô tả hoàn chỉnh của trường điện từ tại
mỗi điểm trong không gian, nó thì thường cho nhiều thông tin hơn những gì chúng
ta thật sự cần đối với hầu hết các mục đích trong thực tế. Chúng ta sẽ quan tâm hơn
loại đầu cuối như công suất, tổng trở, đi
ện thế và dòng điện, mà nó thường có thể
được diễn tả bằng số hạng theo quan điểm lý thuyết mạch.
18
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
Ứng dụng chính của sóng vi ba thì liên quan tới hệ thống ra đa và viễn thông.
Hệ thống ra đa được sử dụng cho việc dò tìm và định vị cho các mục đích ở trong
không trung, mặt đất hoặc đi biển và cho hệ thống điều khiển giao thông trong
không trung, hệ thống ra đa theo dõi tên lửa, hệ thống tránh sự va chạm xe ô tô. Hệ
thống viễn thông vi ba sử dụng một đoạn rộng lớn của quốc tế, dữ liệu và điện thoại
đường dài khác, và truyền kênh truyền hình. Và hầu hết những phát triển gần đây
của hệ thống viễn thông như là: truyền hình vệ tinh phát trực tiếp (DBS: direct
broadcast satelite television), hệ thống viễn thông cá nhân (PCSs), mạng máy tính
khu vực cục bộ không dây (WLANS), hệ thống hình ảnh tế bào (cellular video
systems) và hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GPS: global positioning satellite
systems), hoạt động ở khoảng tần số
từ 1.5 GHz đến 94 GHz và nhờ rất nhiều vào
kỹ thuật sóng vi ba.
2.2 MỘT SỐ ỨNG DỤNG TỔNG QUÁT CỦA CẤU TRÚC BỘ LỌC
TRONG KỸ THUẬT SÓNG VI BA
.
2.2.1 DÙNG BỘ LỌC ĐỂ TÁCH HOẶC TỔNG HỢP TÍN HIỆU.

Dĩ nhiên ứng dụng rõ ràng nhất của cấu trúc bộ lọc là loại bỏ những tần số tín
hiệu không mong muốn, trong khi đó nó cho phép truyền tốt những tần số mong
muốn. Những bộ lọc tổng quát nhất của phần này được thiết kế đối với đặc tính suy
giảm thông thấp, thông cao, thông dải hoặc dải chặn như cho thấy ở hình 2.2. Dĩ
nhiên, trong những trường hợp bộ lọc thực tế đối với sóng vi ba hoặc bất kỳ những
khoảng tần số khác, những đặc tính này chỉ đạt được sự xấp xỉ, do có sự giới hạn về
tần số cao đối với bất kỳ cấu trúc bộ lọc thực tế được cho ở trên mà đặc trưng của
nó sẽ làm giảm giá trị do ảnh hưởng mối nối, sự c
ộng hưởng bên trong của các
thành phần.
Bộ đa hợp được thiết kế tốt của phần này sẽ có VSWR (hoặc SWR) (Voltage
Stander Wave Ratio) rất thấp tại cổng vào với tần số 2.0 GHz tới 4.0 GHz ở hình
2.3. Để đạt được kết quả này những mạch lọc riêng lẻ phải được thiết kế đặc biệt
cho mục đích này cùng với mạng phối hợp mối nối đặc bi
ệt.
19
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang

Độ suy giảm - db
∞
∞

Độ suy giảm - db


Độ suy giảm - db
∞
∞

Độ suy giảm - db

Hình 2.2 Bốn loại đặc trưng tổng quát bộ lọc


Hình 2.3 Nhóm bộ lọc đa hợp 3 kênh
Cách khác mà bộ đa hợp hoặc bộ phối hợp thường được sử dụng là tổng hợp
tín hiệu có những tần số khác nhau. Giả sử rằng hướng mũi tên tín hiệu ở hình 2.3
20
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
được đảo ngược lại. Trong trường hợp này, những tín hiệu đi vào tại những kênh
khác nhau có thể được kết hợp với nhau với sự phản xạ hoặc sự thoát ra năng lượng
không đáng kể sao cho tất cả các tín hiệu sẽ là chồng lên ở một đường ra tín hiệu.
Nếu những tín hiệu ở những khoảng tần số kênh khác này được cộng lại bởi mối nối
đơn giản của đường truyền (không có mạch đa hợp), tổn hao năng lượng tại một
đường ra tín hiệu dĩ nhiên sẽ đáng kể, như là kết quả của sự phản xạ và sự thoát ra
khỏi ở một đường khác so với đường ra dự định.

2.2.2 MẠNG PHỐI HỢP TỔNG TRỞ
Lần đầu tiên Bode cho thấy những giới hạn vật lý ở phối hợp tổng trở băng
rộng của tải gồm có phần tử điện kháng và điện trở nối tiếp hoặc song song [9]. Sau
đó, Fano đã thể hiện những giới hạn tổng quát ở phối hợp tổng trở của tải bất kỳ.
Kết quả của Fano cho thấy rằng
ảnh hưởng của sự truyền và độ rộng băng thông thì
có thể đổi được một lượng bằng phối hợp tổng trở của tải bất kỳ có thành phần điện
kháng.
Để chỉ ra những giới hạn lý thuyết mà nó tồn tại ở phối hợp tổng trở băng

rộng, xem một ví dụ được chỉ ra ở hình 2.4, ở đó tải được khối hợp bao gồm tụ C
1

và điện trở R
0
mắc song song. Mạng phối hợp tổng trở không suy hao được chèn
vào giữa nguồn và tải, và hệ số phản xạ (reflection coefficient) giữa nguồn và mạng
phối hợp tổng trở là:

g
E
g
R
0
R
1
C
in
Z


Hình 2.4 Thí dụ mạng phối hợp tổng trở

gin
gin
RZ
RZ
+
−
=Γ

(2.1)
21
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
Kết quả của Bode và những gì Fano cho thấy rằng có sự giới hạn vật lý trên Γ
(gama) mà có thể nó là hàm của tần số. Những kết quả có khả năng tốt nhất được
giới hạn như được chỉ ra bởi mối liên hệ:
10
0
1
ln
CR
d
π
ω
=
Γ
∫
∞
(2.2)
Nhớ lại rằng, đối với mạch thụ động
10 ≤Γ≤ , đối với tổng phản xạ 1=Γ , và
đối với việc truyền hoàn hảo
0=Γ
. Vì vậy,
Γ1ln
càng lớn thì việc truyền sẽ càng
tốt. Nhưng (2.2) cho thấy rằng, vùng phía dưới đường cong của Γ1ln đối với ω có
thể không lớn hơn π/(R

0
C
1
).
0
ω
a
ω
b
ω
d
ω
c
ω
Biên độ hệ số
phản xạ,
Γ

Tần số radian, ω
Hình 2.5 Đường cong chỉ ra mối liên hệ giữa độ rộng băng thông và
mức độ của khả năng phối hợp tổng trở đối với tải có thành
phần điện kháng được cho.
Nếu phối hợp tổng trở tốt được mong muốn từ tần số ω
a
tới ω
b
, kết quả tốt
nhất có thể thu được nếu

1=Γ tại tất cả các tần số ngoại trừ trong dải tần ω

a
tới ω
b
.
Khi đó,
01ln =Γ
tại tất cả các tần số ngoại trừ trong dải tần ω
a
tới ω
b
, và vùng khả
dụng dưới đường cong Γ1ln có thể được tập trung tất cả trong vùng mà ở đó nó
làm tốt nhất. Với đặc điểm này, phương trình (2.2) trở thành:
10
1
ln
CR
d
b
a
π
ω
ω
ω
=
Γ
∫
(2.3)
22
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ

GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
và nếu
Γ
được giả sử là hằng số trong suốt dải tần phối hợp tổng trở,
Γ
trở thành
hàm của tần số:
()
ba
CR
ab
e
ωωω
ωω
π
≤≤=Γ
−
−
;
10

∞≤≤≤≤=Γ
ωωωω
ba
and0;1

Phương trình (2.4) cho thấy rằng mạng phối hợp tổng trở lý tưởng đối với tải ở hình
2.4 sẽ là cấu trúc mạch lọc thông dải (band-pass) mà nó sẽ cắt đột ngột tại các cạnh
băng của phối hợp tổng trở. Các đường cong của hình 2.5 cho thấy

Γ đối với
đường cong ω cho các mạch lọc phối hợp tổng trở thông dải thực tế. Đường cong
tạo ra ở Trường hợp 1 là đối với phối hợp tổng trở của tải đã cho trên mối quan hệ
băng hẹp từ ω
a
tới ω
b
, trong khi đường cong tạo ra ở Trường hợp 2 là đối với phối
hợp tổng trở cùng tải trên băng rộng ω
c
tới ω
d
dùng cùng số phần tử trong mạng
phối hợp tổng trở.

2.2.3 MẠNG GHÉP NỐI ỐNG VÀ BỘ KHUẾCH ĐẠI ĐIỆN TRỞ ÂM
Trong một số trường hợp tổng trở ngõ vào hoặc ngõ ra của bộ dao động hoặc
một thiết bị khuếch đại có thể được thể hiện như điện trở cùng với một hoặc hai
phần tử điện kháng.
Những bộ khuếch đại điện trở âm còn là loại thiết bị khác mà nó yêu cầu cấu
trúc bộ lọc đối với hoạt
động băng rộng tối ưu. Hãy xem mạch hình 2.6, ở đây
chúng ta sẽ định nghĩa hệ số phản xạ tại phía bên trái là:
01
01
1
RZ
RZ
+
−

=Γ
(2.5)
và tại phía phải là:
43
43
3
RZ
RZ
+
−
=Γ
(2.6)
Do bộ lọc thông dải (band-pass) xen vào là không suy giảm nên:

31
Γ=Γ (2.7)
(2.4)
23
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
mặc dù pha của
31
Γ=Γ là không cần thiết phải giống nhau. Công suất khả dụng
(available power) đi vào bộ xoay vòng (circulator) ở phía phải thì hướng vào mạng
bộ lọc và một phần của nó được phản xạ trở lại bộ xoay vòng (circulator), ở đó nó
được hấp thụ cuối cùng ở đầu cuối R
L
. Độ lợi của bộ chuyển đổi từ bộ nguồn đến
tải R

L
là:
2
3
Γ=
avail
r
P
P
(2.8)
ở đây P
avail
là công suất khả dụng (available power) của bộ nguồn và
r
P là công suất
phản xạ trở lại từ mạng của bộ lọc.
Nếu điện trở R
0
ở phía trái của hình 2.6 là dương, đặc tính độ lợi bộ chuyển
đổi có thể được chỉ ra bởi đường cong trường hợp 1 ở hình 2.7. Trong trường hợp
này, đội lợi trong dải thông (the passband) của bộ lọc là thấp bởi vì
31
Γ=Γ
nhỏ.
Tuy nhiên, nếu R
0
được thay thế bởi điện trở âm
00
RR
−

=
′
′
, thì hệ số phản xạ
(reflection coefficient) tại phía bên trái trở thành:
01
01
01
01
1
RZ
RZ
RZ
RZ
−
+
=
′′
+
′′
−
=Γ
′′
(2.9)
Kết quả là:
1
13
1
Γ
=Γ

′′
=Γ
′′
(2.10)
Vì vậy, sự thay thế R
0
bởi giá trị âm của nó tương với
3
Γ được thay thế bởi
33
/1 Γ=Γ
′′
, và độ lợi bộ chuyển đổi được chỉ ra bởi đường cong được tạo ra ở trường
hợp 2 ở hình 2.7. Dưới những trường hợp này công suất ngõ ra vượt quá công suất
khả dụng của bộ nguồn đối với những tần số bên trong dải thông (the passband) của
bộ lọc.
24
TỰ ĐỘNG HÓA QUY TRÌNH THIẾT KẾ BỘ LỌC CHO DẢI TẦN 4-20 GHZ
GVHD: GS.TS Lê Ngọc Sơn
HV : Phan Thanh Giang
1
C
2
L
1
L
3
C
2
C

3
L
L
R
g
R
a
v
a
il
P
r
P
R
0
hoặc
00
RR −=
′′
1
Z
3
Z
4
R

Hình 2.6 Mạch khuếch đại điện trở âm trong thiết kế cấu trúc bộ lọc.


0

ω
b
ω
a
ω
ω
2
3
Γ=
avail
r
P
P
hoặc
2
3
Γ
′′

Hình 2.7 Độ lợi bộ chuyển đổi giữa nguồn và ngõ ra của bộ xoay vòng ở hình 2.6
Trường hợp 1 R
0
là dương trong khi Trường hợp 2 R
0
là được thay thế
bởi
00
RR −=
′′
.

Với sự hỗ trợ của những phương trình (2.5) và (2.10) sự nối ghép mạng đối
với những bộ khuếch đại điện trở âm sẽ dễ dàng được thiết kế bằng cách sử dụng
kỹ thuật thiết kế bộ lọc phối hợp tổng trở. Những phần tử điện trở âm thực tế như
diode hầm (tunnel diodes) thì không đơn gi
ản là những điện trở âm, bởi vì chúng
cũng có những phần tử điện kháng trong mạch tương đương của chúng. Trong